http://stockholm.hostmaster.org/articles/coulomb_water_life/tr.html
Bir balonu saçına sürtüp duvara yapıştırırsan, az önce basit bir elektrostatik eylem gerçekleştirmiş olursun. Balon yapışır çünkü elektronlar hareket etmiş, zıt yükler oluşturarak birbirini çeker. Bu tanıdık bir sınıf numarası – geçici bir statik elektrik parçası. Ancak arkasındaki görünmez etkileşim, Coulomb kuvveti, doğanın en temel ve geniş kapsamlı yasalarından biridir.
Bu tek kuvvet, elektrik yükleri arasındaki çekim ve itme, maddenin yapısını, yaşamın kimyasını, okyanusların kararlılığını ve hatta toprağı sulayan fırtınaları yönetir. En küçük atomdan en büyük ekosisteme kadar aynı fiziksel ilke sessizce bir gezegenin yaşayıp yaşayamayacağını belirler.
Coulomb kuvveti, 18. yüzyıl Fransız fizikçisi Charles-Augustin de Coulomb’un adını taşıyan, ifade etmesi basit ama sonsuz güçlü: zıt yükler birbirini çeker, aynı yükler iter ve çekim gücü aralarındaki mesafenin karesiyle azalır.
Her atomun içinde negatif yüklü elektronlar bu elektrostatik çekimle pozitif yüklü çekirdeklere çekilir. Kuantum mekaniği bu elektronların belirli enerji durumlarını nasıl işgal edebileceğini tanımlar, ancak Coulomb kuvveti kuantum kurallarının işlediği çerçeveyi sağlar. Elektrostatik olmadan üzerine inşa edilecek kadar kararlı atom olmazdı.
Atomlar elektronları paylaştığında veya değiştirdiğinde kimyasal bağlar oluşturur – iyonik, kovalent, hidrojen veya daha zayıf van der Waals etkileşimleri ki bunlar daha büyük molekülleri bir arada tutar. Her bağ pozitif ve negatif yükleri dengelemenin farklı bir yoludur. Bu anlamda tüm kimya, ve dolayısıyla tüm biyoloji, hareket halindeki elektrostatiğidir.
Dünya’daki tüm moleküller arasında su, elektrostatik mühendisliğinin en üstün örneğidir. Her su molekülü iki hidrojen atomundan bir oksijen atomuna bağlıdır. Oksijen elektronları hidrojenden daha güçlü çektiği için hafif negatif yük taşır, hidrojenler ise hafif pozitif yük taşır.
Bu eşit olmayan dağılım kalıcı bir dipol momenti yaratır, su moleküllerinin birbirini hidrojen bağları yoluyla çekmesini sağlar – tutacak kadar güçlü ama kırılıp yeniden oluşacak kadar zayıf yönlü elektrostatik bağlar. Bu yönlü bağların altında elektron bulutlarındaki küçük dalgalanmalardan kaynaklanan geçici dipoller oluşturan ince van der Waals kuvvetleri denizi yatar.
Birlikte bu kuvvetler suya olağanüstü yapışkanlık verir. Benzer boyutta bir molekül, hidrojen sülfür (H₂S) gibi, yaklaşık –80 °C’de kaynardı. Ama Coulomb kuvvetiyle bağlı su, yaşamın geliştiği sıcaklık aralığında sıvı kalır. Dünya’nın nehirleri, okyanusları ve hücreleri bu görünmez elektrik çekimlerine borçludur.
Suyun polaritesi molekülleri bir arada tutmaktan daha fazlasını yapar; onları ayırmalarına da izin verir. Su molekülünün pozitif ve negatif uçları çözünmüş tuz ve minerallerin iyonlarını çevreler, onları çözeltiye çeker.
Bir sodyum klorür kristali suyla karşılaştığında oksijen atomları pozitif sodyum iyonlarına, hidrojenler negatif klorürlere yönelir. Her iyon su molekülleri ile iyon yükü arasındaki sayısız küçük Coulomb çekimiyle stabilize edilen bir hidrasyon kabuğu ile sarılır.
Bu özellik – çözme yeteneği – suyu evrensel çözücü yapar. Besinlerin dolaşmasına, enzimlerin çalışmasına ve hücrelerin işlev görmesine izin verir. Metabolizma kendisi bu moleküler diplomasiye bağlıdır: iyonlar hareket etmeli, tepki vermeli ve yeniden birleşmeli, hepsi elektrostatik çekimle aracılık edilir. Onsuz okyanuslar steril havuzlar olurdu ve biyokimya imkansız.
Balonu duvara yapıştıran aynı kuvvet bir damla deniz suyunun yaşamın bileşenlerini içermesini sağlar.
Suyun elektrostatik doğasının hikayesi atmosfere doğru yukarı devam eder. Bir su molekülünün moleküler ağırlığı 18 g/mol iken kuru havanın ortalaması – çoğunlukla nitrojen ve oksijen – yaklaşık 29 g/mol. Bu küçük ama önemli fark nemli havayı kuru havadan daha hafif yapar.
Nemli hava yükseldikçe genişler ve soğur. Yeterince soğuduğunda su buharı damlacıklara yoğunlaşır, bulutlar oluşturur. Bu yoğunlaşma gizli ısı salar – hidrojen bağlarının kırılmasından depolanmış elektrostatik enerji – ki bu da havayı daha sıcak ve daha yüzer hale getirir.
Bu kendini güçlendiren süreç konveksiyonu, gök gürültülü fırtınaları ve küresel su döngüsünü sürükler. Isıyı ekvatordan kutuplara taşır ve tatlı suyu kıtalara geri verir. Suyun hafif moleküler ağırlığı, yüksek buharlaşma ısısı ve yapışkan hidrojen bağları olmadan – hepsi Coulomb kuvvetinin ürünleri – bulut, yağmur veya fırtınalarla sürekli yenilenen canlı bir gezegen olmazdı.
Suyun elektrostatik karakteri doğanın en nadir ve en etkili tuhaflıklarından birini üretir: katı hali sıvı halinden daha az yoğundur.
Su donduğunda molekülleri her biri dört başkasıyla hidrojen bağı kuran açık altıgen bir ağda düzenlenir. Bu yapı elektrostatik kararlılığı maksimize eder ama boş alan bırakır, katıyı daha hafif yapar. Sonuç: buz yüzer.
Bu anomali önemsiz görünebilir, ama Dünya’nın derin donmalar boyunca yaşanabilir kalmasının sebebidir. Yüzen buz alttaki sıvı suyu yalıtan koruyucu bir katman oluşturur. Balıklar, algler ve bakteriler bu doğal kalkan altında kıştan sağ çıkar.
Antik Kar Topu Dünya dönemlerinde gezegen neredeyse tamamen buzla kaplandığında bu özellik okyanusların tamamen donmasını engelledi. Yüzen buz güneş ışığını yansıttı, fotosentetik alglerin karbondioksit emilimini yavaşlattı ve atmosfere volkanlardan sera gazları birikmesi için zaman verdi – sonunda gezegeni yeniden ısıttı.
Buz batsaydı okyanuslar alttan üste donar, neredeyse tüm yaşamı öldürürdü. Hidrojen bağlarının geometrisi – Coulomb kuvvetinin doğrudan ifadesi – kelimenin tam anlamıyla biyosferi kurtardı.
Jeolojik zaman boyunca Güneş neredeyse üçte bir daha parlaklaştı, ancak Dünya’nın yüzey sıcaklığı suyun sıvı olduğu dar aralıkta kaldı. Bu kararlılık biyolojik aktivite ile jeokimyasal döngüler arasındaki hassas etkileşimden gelir – hepsi elektrostatik kimyaya dayalı.
Fotosentetik yaşam çiçeklendikçe havadan CO₂ çekti, sera etkisini zayıflattı ve gezegeni soğuttu. Volkanik ve metamorfik süreçler CO₂’yi geri verdi, yeniden ısıttı. Gezegenin uzun vadeli termostatı karbon-silikat döngüsü, karbonat oluşumu ve çözünmesi gibi reaksiyonlara tamamen bağlıdır – her adım moleküler düzeyde yük ve bağ müzakeresidir.
Işığı sülfür dioksit oksitlemek için kullanan erken sülfür bakterilerinden suyu bölen ve oksijen salan siyanobakterilere kadar Dünya atmosferindeki her dönüş aynı elektrostatik temele iner. Akciğerlerimizi dolduran oksijen bile antik mikropların fotosentetik makinesinde Coulomb kuvvetlerinin yan ürünüdür.
Coulomb kuvveti yaşamı sadece pasif olarak desteklemez; canlı yaratıklar onu doğrudan kullanmak için evrildi. En çarpıcı örnek geckodur, ayakları ona dikey cam duvarlarda zahmetsizce koşma imkanı verir.
Her gecko parmağı milyonlarca mikroskobik kıl olan setae ile kaplıdır, bunlar yüzlerce nano ölçekli spatulaya dallanır. Bu uçlar bir yüzeye dokunduğunda gecko ayağındaki ve duvardaki elektronlar geçici van der Waals kuvvetleri yoluyla etkileşir – geçici yük dalgalanmalarından kaynaklanan minik elektrostatik çekimler.
Her bireysel kuvvet inanılmaz küçük, ama milyarlarca temas noktasında çarpıldığında güçlü ve tersine çevrilebilir yapışma üretir. Gecko ayağını neredeyse anında yapışabilir, bırakabilir ve yeniden yapışabilir – molekülleri bağlayan ve suyu bir arada tutan aynı etkileşimin zarif biyolojik kullanımı.
Hattta salyangozlar benzer prensipleri kullanır, mukuslarında elektrostatiği kapiler kuvvetlerle karıştırarak dikey yüzeylere tırmanır. Doğa sessizce fizik yasalarını ustalaşan yaratıklarla doludur.
Tüm bu fenomenlerin – duvara yapışan balon, suyun sıvılığı, buzun yüzmesi, bulutların yükselmesi, yaşamın kimyası ve gecko’nun tutuşu – tek bir evrensel etkileşimin farklı ifadeleri olduğunu fark etmek şaşırtıcıdır.
Coulomb kuvveti:
Tek bir yasa – zıtlar çeker – çocuğun balonundan gezegen buz çağları boyunca yaşamın hayatta kalmasına kadar her şeyin temelindedir.
Coulomb kuvveti matematiksel olarak basittir, ancak bu basitlikten doğanın dünyasının muazzam karmaşıklığı doğar. Gürleyen veya mucizevi bir güç değil, sessiz ve evrensel – her molekül, her damla, her canlı hücre üzerinden görünmez çalışan sabırlı bir heykeltıraş.
Atomların elektronlarını bağlar, yaşamın moleküllerini katlar, bulutları ve okyanusları şekillendirir ve kırılgan bir dünyanın iklimini stabilize eder. Onsuz kimya, yağmur, nefes veya düşünce olmazdı – sadece sessiz ve steril bir evren.
Büyük bir mimarın işareti aranıyorsa belki tapınaklarda veya mucizelerde değil, olanak kendisinde – suyu, havayı ve bilinci doğuran zarif dengeli yasalar. Mimar tapınılacak anıtlar yaratmadı; yaşam koşullarını yarattı ve bunu korumalıyız.
Balonun duvara yapışmasını sağlayan aynı görünmez kuvvet denizleri gezegene, bulutları gökyüzüne ve yaşamın nabzını maddenin dokusuna bağlar. Fizikseli canlıya bağlayan sessiz iplik – canlı bir dünya yaratan basit kuvvet.
Mucize evrenin var olması değil, kendini canlı olmaya izin vermesidir.